Vysokoenergetická implantace iontů na Tandetronu 4130MC v ÚJF Řež Havránek Vladimír, Hnatowicz Vladimír, Macková Anna, Novotný Jiří, Vacík Jiří, Voseček Václav Ustav jaderné fyziky AVČR, v.v.i, 250 68, Řež u Prahy l.Úvod Vysokoenergetická implantace s využitím malých elektrostatických urychlovačů poskytující implantovaným iontům energii v řádu stovek keV až desítek MeV představuje účinný nástroj pro cílenou modifikaci širokého spektra pevných látek. Volbou vhodné energie a dávky umožňuje vytváření dobře definovaných a lokalizovaných struktur téměř libovolného složení případně cíleného poškození v hloubkách do několika mikrometrů (v případě protonů až několika desítek mikrometrů) pod povrchem implantovaného vzorku. Podobné zařízení dosud nebylo v České republice k dispozici a jeho vybudování na Tandetronu 4130 MC vUJF AVČR v.v.i představuje významný přínos pro naší akademickou a výzkumnou obec. Trasa implantace je v současnosti intenzivně využívána ve spolupráci s řadou vysokých škol a výzkumných institucí.
HVEE target chamber Gate valve
Raster scanner NEC ERS-7 Gate valve
-A
\ Vacuum pump
Vacuum pump Neutral beam trap NEC ES12
Obr. 1. Trasa vysokoenergetické iontové implantace s vyobrazením základních komponent 2. Popis trasy a experimentální zapojení Trasa iontové implantace zajišťuje rovnoměrné rozdělení implantovaných iontů dané energie přes celou implantovanou plochu (na implantovanou plochu je možno umístit i více vzorků najednou) a přesné stanovení implantované dávky. Důležitá je i možnost jednoduché výměny implantovaných vzorků a automatická kontrola procesu implantace včetně měření implantované dávky. Vlastní vakuová trasa vysokoenergetické iontové implantace na Tandetronu 4130MC (Obr. 1.) je sestavena z komerčně dostupných komponent od různých výrobců. Rozmítání svazku (raster scanner ERS-7) a filtr neutrálních iontů (Neutral beam trap ES-12) byly zakoupeny od firmy NEC (National Electrostatic Corporation) i. Terčíková komora s výměníkem na dvanáct vzorků do průměru 47mm a výměnným adapterem na jeden vzorek s možností ohřívat nebo chladit vzorek během implantace od firmy HVEE (High Voltage Engineering Europa B.V.) 2. Další potřebné vakuové díly dodala podle našich požadavků firma Vakuum
40
Praha ~ . Celý proces implantace je řízen pomocí počítačového programu napsaného v prostředí LabView firmy National Instruments. Vlastní program byl vyvinut v naší laboratoři a umožňuje automatickou implantaci více vzorků včetně kontroly dávky, výpočtu rozmítání svazku, odhadu doby implantace a automatického posuvu výměníku vzorků. Za tímto účelem byla původní manuálně ovládaná terčíková komora doplněna krokovým motorem pro posun vzorků a ovládací jednotkou.
Entrance Faraday cups Specimen selector Z
Front Faraday cup Beam scanner |
I beam
TTT JUXg Y«Yg d*f
Beam scanning control
Obr. 2. Schéma experimentálního zapojeni trasy vysokoenergetické iontové implantace Schéma experimentálního zapojení trasy implantace včetně počítačové kontroly automatické implantace je znázorněno na Obr. 2. Přesné měření implantované dávky je za zajištěno s pomocí čtyř faradayových válců o celkové ploše 4 cm2 umístěných v rozích implantovaného vzorku. Vzájemná vzdálenost středů faradayů je cm a pro spolehlivé měření náboje je nutné zajistit rovnoměrné rozmítání přes celou jejich plochu. V našem případě dostačuje rozmítání na plochu přibližně 8 cm x 8 cm při běžné kolimaci svazku. Faradaye jsou paralelně propojeny s nábojovým integrátorem, Ortec current integrátor 439, který vydává (při nastavení na nejvyšší citlivost) jeden pulz na každých 100 pC sebraného náboje. Ve spojení s údaji o průběhu skenovacího napětí je možné rozdělit měřený náboj zpětně mezi jednotlivé faradayovy válce umístěné v rozích implantované oblasti a sledovat tak homogenitu a vycentrování rozmítaného svazku. Příklad rozdělení náboje mezi jednotlivé faradaye (obraz faradayů) je na Obr. 3. Rozměry a tvar zobrazených skvrn (obrazu faradayů) nesou také informaci o fokusaci svazku iontů v místě implantace. Pro dosažení vyšších implantovaných dávek v přijatelně krátké době je někdy potřeba zmenšit plochu na kterou je svazek iontů rozmítán. V takovém případě je implantovaná dávka kontrolována pouze dobou implantace a kontrolou proudu (stálosti intenzity iontového svazku) několikrát v průběhu implantace.
41
id 1 Comment
F4 N"5097 X= -0.338Y= -0.311 Rozmitanfc<:= 8.115 cm
F3 N= 4654 X= 0.3G5Y= -0.291 RozmitaniY:= 8.324 cm
Obr. 2. Ukázka rozmítání svazku a rozdělení měřeného náboje z jednotlivých faradayů umístěných v rozích rozmítané plochy. 3.Příklady implantací Od uvedení implantační trasy do provozu v roce 2006 proběhla řada implantačních experimentů. Mezi dlouhodobější a významné projekty můžeme zařadit především spolupráci na projektech v Centra výzkumu MŠMT LC06041 a dalších spoluprací. • Úprava vlastností výkonových křemíkových diod pomocí implantace energetických protonů (J. Vobecký, FEL-ČVUT) • Implantace Au do skel, změna optických vlastností a vytváření různého stupně optické nelinearity (A. Macková, UJF) • Studium latentních tracků v Si pomocí AFM (A. Ruzin, Tel Aviv University) • Studium vytváření tracků v polymerních materiálech po ozáření těžkými ionty (trackové detektory) (Dr.Turek, ODZIJJF) • Studium vlastností a poškození polymerních materiálů (PEEK) po ozáření 2.0 MeV 02+, 3.0 MeV Si2+, 3.25MeV Cu2+ and 4.8 MeV Ag2+, lit. citace 5 • Studium interakce atomů vodíku s poruchami v krystalech niobu vytvořených pomocí implantace elektronů a protonů (J.Čížek, MFF)
42
Příklad tracků vytvořených leptáním v 6 \im polymerní PET folii po ozáření 20 MeV ionty zlata s celkovou dávkou 109 at/cm2 je ukázán na Obr. 4. Pro představu o universálnosti implantační trasy, rozsahu rozdílných požadavků na parametry implantace (velmi rozdílné energie, typy iontů a dávky) a doby implantace uvádíme v Tab. 1. několik charakteristických příkladů provedených implantací. Tab. 1. Příklady provedených implantací ai jejich základní parametry Iont
Energie [keV]
Dávka [at/cm2]
Vzorek
Doba implantace
H+
300
lxlO14
Si
lh40m
H+
2500
5xl0 10
Si
30s
H+
2500
lxlO14
Polyaniline
36 m
Au +
1700
lxlO16
Glass
16 h
Au 2+
3000
lxlO 16 *
Si
2.5 h
o+
2000
lxlO' 4
PEEK
lh
Si 5+
12000
lxlO9
PET
2s
Au9+
22500
lxlO9
PET
6s
* rozmítání na zmenšenou plochu 4.Závěr Vybudovaná trasa vysokoenergetické implantace umožňuje implantace širokého spektra iontů od H až po U s energiemi od stovek keV až do více než 20 MeV v závislosti na dostupném terminálovém napětí urychlovače, nábojovém stavu iontu a dostatečné intenzitě iontového svazku. Dosažitelné dávky implantovaných iontů se pohybují přibližně od 10 at/cm až do 1016 at/cm2. Dolní mez je dána citlivostí měření náboje, horní pak tokem implantovaných iontů, odolností implantovaného vzorku a přiměřenou dobou implantace. Při toku iontu okolo 1|ÍA trvá implantace 1015 at/cm2 asi 3fyodiny při plném rozmítání (asi 8 cm x 8cm). Sníženi doby implantace lze dosáhnout zmenšením rozmítání (pokud to dovolí rozměry a povaha vzorku) ovšem za cenu horší kontroly implantované dávky.
43
Obr. 3. Treky vyleptané v 6 |im PET fólii implantované 20 MeV Au ionty s dávkou 109at/cm2
Tato práce byla podpořena MSMT v rámci projektu LC06041.
1. www.pelletron.com 2. www.highvolteng.com 3. www.vakuum.cz 4. www.ni.com/labview/ 5. Hnatowicz V., Havránek V., Bočan J., Macková A., Vacík J., Švorčík V., Modiťication of poly(ether ether ketone) by ion irradiation, Nuclear Instruments and Methods B, 266(2008) 283-287. 6. Čížek J., Procházka I., Daniš S., Havránek V., Bauer G., Anwand W., Gemma R.. Kirchheim R, A. Pundt A., Hydrogen Interaction with Vacancies in Niobium Positron Studies ojDefects 2008 (PSD-08), Praha 1.9.-5.9.2008, http://psd08.mff.cuni.cz/
High Energy Ion Implantátům with Tandetron 4130MC at the NPI Řež Havránek Vladimír, Hnatowicz Vladimír, Macková Anna, Novotný Jiří, Vacík Jiří, Voseček Václav Nuclear Physics Institute, Acad. Sei. of the Czech Republic, v.v.i., 250 68 Rez near Prague, Czech Republic The high energy ion implantation setup was recently set into the operation at the NPI of ASCR at Rez near Prague. As the source of the energetic ions serveš a new Tandetron 4130MC. A broad spectrum of ions from H to Au can be implanted at energies from several hundred keV up to more then 20 MeV. The maximum reachable energy is ruled by the ionization statě of the impanted ions and is limited to 2.5MeV times charge statě. Most ťrequently implanted ions were H, C, O, Si, Cu, Ag and Au at doses from lxlO 7 to lxlO 1 7 at/cm . Some examples of the implanted samples and the technical specifieation of the experimental setup is given in the contribution.
44
